多波长调制解调结构、光子发射装置和光子接收装置

摘要

本申请公开了一种多波长调制解调结构、光子发射装置和光子接收装置，涉及量子通信领域，用于提高QKD系统的集成度。一种多波长调制解调结构包括：不等臂干涉仪，所述不等臂干涉仪包括长臂，在所述不等臂干涉仪的长臂上串联有多个单波长调制解调器，每个单波长调制器用于对特定波长的光子进行调制或解调，所述多波长调制解调结构用于调制时，所述单波长调制解调器将特定波长的光子的一个维度调制在特定量子态；所述多波长调制解调结构用于解调时，所述单波长调制解调器对特定波长的光子在同一维度的量子态进行解调。本申请实施例应用于量子通信。

权利要求

1.一种多波长调制解调装置，其特征在于，包括：不等臂干涉仪，所述不等臂干涉仪包括长臂，在所述不等臂干涉仪的长臂上串联有多个单波长调制解调器，每个单波长调制器用于对特定波长的光子进行调制或解调，所述多波长调制解调装置用于调制时，所述单波长调制解调器将特定波长的光子的一个维度调制在特定量子态；

所述多波长调制解调装置用于解调时，所述单波长调制解调器对特定波长的光子在同一维度的量子态进行解调；

所述单波长调制解调器为微环谐振器，所述微环谐振器包括所述不等臂干涉仪的长臂的直波导以及与所述直波导耦合的微环装置，所述微环谐振器与特定波长的光子进行谐振。

2.根据权利要求1所述的多波长调制解调装置，其特征在于，所述维度包括以下中的至少一种：相位、到达时间、强度、偏振。

3.根据权利要求1所述的多波长调制解调装置，其特征在于，所述维度为相位或到达时间时，所述微环装置与所述直波导有相邻两处耦合。

4.根据权利要求3所述的多波长调制解调装置，其特征在于，所述维度为相位时，所述微环装置的外部干涉腔长度等于所述微环装置的周长。

5.根据权利要求3所述的多波长调制解调装置，其特征在于，所述维度为到达时间时，所述微环装置的外部干涉腔长度不等于所述微环装置的周长。

6.根据权利要求1所述的多波长调制解调装置，其特征在于，所述维度为偏振或强度时，所述微环装置与所述直波导有一处耦合。

7.根据权利要求1-6任一项所述的多波长调制解调装置，其特征在于，所述不等臂干涉仪为非对称马赫-曾德尔干涉仪。

8.一种光子发射装置，其特征在于，包括：多波长单光子光源以及如权利要求1-7任一项所述的多波长调制解调装置，所述多波长调制解调装置用于对多波长的光子分别进行调制，所述多波长单光子光源的输出端连接至所述多波长调制解调装置的输入端。

9.一种光子接收装置，其特征在于，包括：波长敏感单光子探测器以及如权利要求1-7任一项所述的多波长调制解调装置，所述多波长调制解调装置用于对多波长的光子分别进行解调，所述多波长调制解调装置的输出端连接至所述波长敏感单光子探测器的输入端。

说明书

多波长调制解调结构、光子发射装置和光子接收装置

技术领域

[0001] 本申请涉及量子通信领域，尤其涉及一种多波长调制解调结构、光子发射装置和光子接收装置。

背景技术

[0002] 随着量子光学领域的高速进展，逐渐实现了包括量子通信和量子计算在内的很多基于单光子的应用。量子通信，是指在不同的网络节点中，对量子信息(量子比特的量子态)
进行传输、交换以及分析量子态；也可以是只把密钥用量子态传输、交换和分析，而所要通
信的信息是首先用这些密钥加密后，再通过经典通信的方式传送。其主要的应用之一就是
量子加密，也称为量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)。

[0003] 和经典通信一样，QKD中也存在传输速率的问题。一方面，可以尽量把单个信道的传输速率提高；另一方面，也可以利用经典光纤通信中波分复用(Wavelength Division 
Multiplexing，WDM)来对多个QKD信道进行并行传输。

[0004] 参照图1中所示，现有技术中光子发射装置11和光子接收装置12通过单个非对称马赫曾德干涉仪(Asymmetric Mach-Zhender Interferometer，AMZI)器件对不同波长的光
子进行复用，但是使用多个WDM模块对不同波长的光子进行相位的调制，由于多个WDM模块
占用很大片上空间，不利于片上集成。

发明内容

[0005] 本申请实施例提供一种多波长调制解调结构，用于提高QKD系统的集成度。

[0006] 为达到上述目的，本申请的实施例采用如下技术方案：

[0007] 第一方面，提供了一种多波长调制解调结构，包括：不等臂干涉仪，不等臂干涉仪包括长臂，在不等臂干涉仪的长臂上串联有多个单波长调制解调器，每个单波长调制器用
于对特定波长的光子进行调制或解调，多波长调制解调结构用于调制时，单波长调制解调
器将特定波长的光子的一个维度调制在特定量子态；多波长调制解调结构用于解调时，单
波长调制解调器对特定波长的光子在同一维度的量子态进行解调。本申请提供的上述多波
长调制解调结构，在不等臂干涉仪的长臂上耦合多个对特定波长谐振的微环结构形成对特
定波长谐振的微环谐振器，可以对特定波长的光子实现调制和解调，由于微环结构体积非
常小，因此最终多波长调制解调结构的体积也非常小，有利于提高QKD系统的集成度，减小
其体积。并且可以在对特定波长的光子进行调制和解调的同时，不影响其他光子的传播，不
增加额外的损耗。相对于现有技术，本申请对电控系统的速度要求有所降低。另外，结合集
成光学的优势，提供了更好的可扩展性。

[0008] 在一种可能的实施方式中，维度包括以下中的至少一种：相位、到达时间、强度、偏振。该实施方式介绍了调制或解调光子的维度可以包括多个方面。

[0009] 在一种可能的实施方式中，单波长调制解调器为微环谐振器，微环谐振器包括不等臂干涉仪的长臂的直波导以及与直波导耦合的微环结构，微环谐振器与特定波长的光子
进行谐振。该实施方式提供了一种单波长调制解调器的具体实现方式。

[0010] 在一种可能的实施方式中，维度为相位或到达时间时，微环结构与直波导有相邻两处耦合。该实施方式提供了一种微环谐振器的具体实现方式。

[0011] 在一种可能的实施方式中，维度为相位时，微环结构的外部干涉腔长度等于微环结构的周长。该实施方式提供了一种微环谐振器的具体实现方式。

[0012] 在一种可能的实施方式中，维度为到达时间时，微环结构的外部干涉腔长度不等于微环结构的周长。该实施方式提供了一种微环谐振器的具体实现方式。

[0013] 在一种可能的实施方式中，维度为偏振或强度时，微环结构与直波导有一处耦合。该实施方式提供了一种微环谐振器的具体实现方式。

[0014] 在一种可能的实施方式中，不等臂干涉仪为非对称马赫-曾德尔干涉仪。该实施方式提供了一种不等臂干涉仪的具体实现方式。

[0015] 第二方面，提供了一种光子发射装置，包括：多波长单光子光源以及如第一方面及其任一实施方式所述的多波长调制解调结构，多波长调制解调结构用于对多波长的光子分
别进行调制，多波长单光子光源的输出端连接至多波长调制解调结构的输入端。

[0016] 第三方面，提供了一种光子接收装置，包括：波长敏感单光子探测器以及如第一方面及其任一实施方式所述的多波长调制解调结构，多波长调制解调结构用于对多波长的光
子分别进行解调，多波长调制解调结构的输出端连接至波长敏感单光子探测器的输入端。

[0017] 另外，第二方面至第三方面中任一种设计方式所带来的技术效果可参见上述第一方面中不同设计方法所带来的技术效果，此处不再赘述。

附图说明

[0018] 图1为本申请实施例提供的一种光子发射装置和光子接收装置的结构示意图一；

[0019] 图2为本申请实施例提供的一种光子发射装置和光子接收装置的结构示意图二；

[0020] 图3为本申请实施例提供的一种微环谐振器的结构示意图一；

[0021] 图4为本申请实施例提供的一种微环谐振器的设计原理示意图；

[0022] 图5为本申请实施例提供的一种光子经过微环结构和不经过微环结构的示意图；

[0023] 图6为本申请实施例提供的一种光子经过微环谐振器相位调制的效果示意图；

[0024] 图7为本申请实施例提供的一种微环谐振器的结构示意图二；

[0025] 图8为本申请实施例提供的一种光子经过微环谐振器强度调制的效果示意图；

[0026] 图9为本申请实施例提供的一种对光子进行到达时间调制的原理示意图；

[0027] 图10为本申请实施例提供的一种对光子进行到偏振调制的原理示意图；

[0028] 图11为本申请实施例提供的一种微环谐振器的结构示意图三；

[0029] 图12为本申请实施例提供的一种光子经过微环谐振器偏振调制的效果示意图。

具体实施方式

[0030] 本申请实施例提供了一种量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)系统，参照图2中所示，该系统包括光子发射装置(俗称Alice端)11和光子接收装置(俗称Bob端)
12。发送端11包括多波长单光子光源111和第一多波长调制解调结构112；接收端12包括波
长敏感单光子探测器121和第二多波长调制解调结构122。

[0031] 多波长单光子光源111可以包括多个单光子光源1111，或者可以是一个可以发射多波长光子的光子光源。多波长单光子光源111的输出端连接至第一多波长调制解调结构
112的输入端。多个单光子光源1111分别用于发射不同波长的光子。单光子光源1111可以将
激光二极管串联100dB以上的衰减器，把激光衰减为性质和单光子光源类似的弱相干态
(weak coherent state)，或者，单光子光源1111可以是量子单光子光源或者非线性单光子
光源等。

[0032] 可选的，多波长单光子光源111还可以包括波分复用器1112，用于对多波长的光子进行并行传输。多个单光子光源1111的发射端分别连接至波分复用器1112的输入端，波分
复用器1112的输出端连接至第一多波长调制解调结构112的输入端，第一多波长调制解调
结构112的输出端通过光纤连接至第二多波长调制解调结构122的输入端。可以理解，随着
技术发展，如果多波长单光子光源111能够直接发射复用的多个波长的光子，可以不采用波
分复用器1112。

[0033] 多波长敏感单光子探测器121可以包括多个单光子探测器(single  photon detector，SPD)1211，多波长敏感单光子探测器121可以对多种波长的单个光子进行探测。
单光子探测器可以是雪崩光电二极管、超导纳米线单光子探测器等等。多个单光子探测器
1211用于分别接收不同波长光子。第二多波长调制解调结构122的输出端连接至多波长敏
感单光子探测器121的输入端。

[0034] 可选的，多波长敏感单光子探测器121还可以包括波分解复用器1212，用于对多波长的光子进行解复用，第二多波长调制解调结构122的输出端可以连接至波分解复用器
1212的输入端，波分解复用器1212的输出端分别连接至多个单光子探测器1211的接收端。
可以理解，波分解复用器并不是唯一的选择，只要能够对多波长的光子进行解复用的器件
均可，例如，还利用色散使不同波长的光子在时间上分开；利用不同原子的能级，只对特定
波长的光子响应等等。

[0035] 需要说明的是，本申请仅示例性地描述了多波长单光子光源111和波长敏感单光子探测器121的结构，可以理解，采用具有相同功能的其他结构同样适用本申请，例如增加
或减少部分器件的结构等。

[0036] 一般量子通信中，发送端和接收端需要使用完全对称的设计，在本申请中第一多波长调制解调结构112和第二多波长调制解调结构122具有相同的结构，后文不作区分，可
以统一称为多波长调制解调结构。该多波长调制解调结构在光子发射装置11中用于对多波
长的光子分别进行调制，在光子接收装置12中用于对多波长的光子分别进行解调。

[0037] 参照图2中所示，多波长调制解调结构100包括不等臂干涉仪101，不等臂干涉仪101包括长臂和短臂，在不等臂干涉仪101的长臂上串联的多个单波长调制解调器102，长臂
指不等臂干涉仪101中较长的直波导通路，短臂指不等臂干涉仪101中较短的直波导通路。
其中，每个单波长调制解调器用于对特定波长的光子进行调制或解调。在多波长调制解调
结构100用于调制时，单波长调制解调器102用于将特定波长λn的光子的一个维度E(λn)调制
在特定量子态，此时单波长调制解调器102也被称为调制器；在多波长调制解调结构100用
于解调时，单波长调制解调器102用于对特定波长λn的光子在同一维度E(λn)的量子态进行
解调，此时单波长调制解调器102也被称为解调器。

[0038] 在一种可能的实施方式中，不等臂干涉仪101可以为非对称马赫曾德干涉仪(Asymmetric Mach-Zhender Interferometer，AMZI)。

[0039] 在一种可能的实施方式中，参照图3中所示，单波长调制解调器102可以为微环谐振器，该微环谐振器包括不等臂干涉仪的长臂的直波导31以及与直波导耦合的微环结构
32，微环谐振器与特定波长的光子进行谐振。单波长调制解调器102还可以为微盘、光子晶
体结构、布拉格反射镜结构等，或者为其他更复杂的光子网络等。可以理解，本申请以微环
谐振器为例进行说明，并不意在限定必须采用微环谐振器。

[0040] 在量子通信领域中，通常将同一维度的两个不同量子态分别代表0和1来进行通信。在一种可能的实施方式中，上述同一维度可以包括以下中的至少一种：例如偏振、相位、
到达时间、强度等。对于光子的相位来说，不同的量子态对应光子的不同相位，例如π/2，π/4
等。对于光子的强度来说，不同的量子态对应光子的不同强度。对于偏振来说，不同的量子
态对应光子的不同偏振态。对于到达时间来说，不同的量子态对应光子的不同到达时间。下
面对不同维度具体如何实现进行说明：

[0041] 相位

[0042] 参照图3中所示，是一种结合直波导和微环结构的微环谐振器的设计，微环谐振器包括：不等臂干涉仪的长臂的直波导以及与直波导耦合的微环结构，每个微环结构与直波
导有相邻两处耦合。每个微环谐振器可以将特定波长的光子调制或解调预定相位。例如，
φπ/4(λ1)对波长为λ1的光子进行0和π/4两个相位间的调制或解调，φπ/2(λ1)对波长为λ1的
光子进行0和π/2两个相位间的调制或解调，这样每一对微环结构φπ/4(λ1)和φπ/2(λ1)可以
把波长为λ1的光子进行0、π/4、π/2和3π/4四个相位间(量子态)的调制或解调。

[0043] 下面参照图4中所示，将说明如何设计上述直波导和微环结构，使得构成的微环谐振器能够对特定波长的光子谐振。

[0044] 基于光程等于光的波长的整数倍，有公式：

[0045] aλm＝2πrneff＝l1+l3＝l2  (1)

[0046] 其中，λm为需要谐振的光子的波长，a为整数，neff为波导的有效折射率，r为微环结构半径，l1为微环结构右半圆，l3为微环结构左半圆，l2为微环结构的外部干涉腔长度，另外
图中K1、K2为耦合长度。微环结构的外部干涉腔长度l2等于微环结构的周长l1+l3，使得经过
这两个路径的光子在时间上没有差别。经过上述设计，如图5中(a)所示，受微环结构调制或
解调的特定波长的光子经过微环结构，如图5中(b)所示，不受微环结构调制或解调的其他
波长的光子不从微环结构中通过。示例性的，参照图6中所示，假设上述微环谐振器对波长
为1533nm的光子进行调制或调解，可以使得波长为1533nm的光子相位调制或解调π/2，但是
其强度仅衰减0.95dB。

[0047] 强度

[0048] 参照图7中所示，是一种结合直波导和微环结构的微环谐振器的设计，微环谐振器包括：不等臂干涉仪的长臂的直波导71以及与直波导耦合的微环结构72，每个微环结构与
直波导有一处耦合。每个微环谐振器可以对特定波长的光子进行谐振，从而改变其强度。同
样可以基于公式(1)设计每个微环谐振器，对光子强度改变效果如图8中所示，从中可以看
出图7中四个微环谐振器分别对特定波长的光子衰减强度形成非常明显的四处波谷。

[0049] 到达时间

[0050] 在光纤传输量子比特时，使用时间编码(time encoding)受外界干扰最小，因此是目前QKD实际应用比较广泛的一种编码形式，其主要通过同一光子经过不同长度波导使得
光子到达时间不同来区分两个不同量子态，并且同一光子处于两个不同量子态的概率为
50％。参照图9中所示，在较长路径上可以对光子进行调制，最终该光子的量子态可以表示
为

[0051] 与前面图3和图4所描述的相位谐振的结构相类似地，微环谐振器可以包括：在AMZI长臂的直波导上耦合多个微环结构，每个微环结构与直波导有相邻两处耦合。其与图4
中的微环谐振器不同之处在于，需要满足微环结构的外部干涉腔长度l2不等于微环结构的
周长l1+l3，即l1+l3≠l2，实现不同长度的波导路径，使得经过这两个路径的光子在到达时间
上具有差别，从而达到对光子的达到时间进行调制的目的，在l2＞l1+l3时，到达时间之差为
Δt＝(l2-l1-l3)/neff。

[0052] 偏振

[0053] 对于偏振维度，与前面图7所描述的强度谐振采用相同的结构。本申请主要利用了同一波导中的横电模(transverse electric mode，TE)和横磁模(transverse magnetic 
mode，TM)两个偏振的光存在色散的现象，参照图10中(a)所示，通过改变微环结构和直波导
(输入/输出波导)之间的耦合角度θ来改变TE和TM偏振态的耦合系数K。其中，TM和TE互相正
交,并且同一波导中TM和TE的折射率不同。参照图10中(b)所示，当θ＝56时，TE偏振态的光
子一部分耦合进入微环结构，TM偏振态的光子几乎没有耦合进入微环结构。

[0054] 图11中所示为制备的一种基于偏振维度的微环结构，图12为基于该微环结构对TM和TE偏振光子的测量结果，可以看到，在TE偏振光子输入时，可以明显看到直波导121与微
环结构122耦合引起的吸收峰，波长为1556nm的光子进入微环结构。而在TM偏振光子输入
时，没有任何的微腔特征，没有光子进入微环结构。

[0055] 图1中所示现有技术中，调制器或解调器位于AMZI之外，如果只对量子态|0>或者|1>进行调制，那么相应的调制器的调制速度或者解调器的解调速度必须大于量子态|0>和|
1>之间的延时差Δt＝(1|1>-1|0>)/neff。而本申请中调制器或解调器位于AMZI之内，对调
制器或解调器的电控速度要求降低。

[0056] 本申请提供的上述多波长调制解调结构，在不等臂干涉仪的长臂上耦合多个对特定波长谐振的微环结构形成对特定波长谐振的微环谐振器，可以对特定波长的光子实现调
制和解调，由于微环结构体积非常小，因此最终多波长调制解调结构的体积也非常小，有利
于提高QKD系统的集成度，减小其体积。并且可以在对特定波长的光子进行调制和解调的同
时，不影响其他光子的传播，不增加额外的损耗。相对于现有技术，本申请对电控系统的速
度要求有所降低。另外，结合集成光学的优势，提供了更好的可扩展性。

[0057] 以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵
盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。